JP4394505B2 - 永久磁石式回転電機 - Google Patents

Description

本発明は永久磁石式回転電機に係り、特に、圧縮機等を駆動する超高速電動機や超高速発電機であるマイクロガスタービン用発電機等に用いられるのに好適な永久磁石式回転電機に関する。

従来、超高速電動機や超高速発電機等の超高速回転電機として用いられる永久磁石式回転電機は、例えば特許文献１に示すように、既に提案されている。その構成は、継鉄と、この継鉄の外周面に密接配置され、周方向に複数分割された永久磁石と、これら永久磁石を継鉄外周面上に保持する繊維強化樹脂からなる保持環とを備えた回転子を有している。

特開２００２−１１２４７７号公報

上記従来における永久磁石式回転電機は、複数に分割された隣接永久磁石間を接着剤で固定して継鉄外周面に密接配置し、その外周に繊維強化樹脂による保持環を装着している。これら接着剤や繊維強化樹脂は、長期運転中に劣化収縮し、その結果、隣接永久磁石間，永久磁石と継鉄間，永久磁石と保持環間に弛みが生じ、これら弛みによって永久磁石の保持が不安定となって高速回転時に低周波振動や不安定振動を引き起こす問題があった。

本発明の目的は、長期にわたって安定した回転を行うことのできる永久磁石式回転電機を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために、繊維強化樹脂製の保持環で外周を保持され周方向に分割された永久磁石を密接配置した継鉄の外周面に、斜面を有する複数の凸部を周方向に沿って形成し、これら凸部の斜面と周方向に係合する斜面を有する凹部を前記分割された永久磁石の夫々に形成したのである。

上記構成により、仮に、永久磁石周辺に隙間が生じても、回転時に継鉄側の凸部の斜面が永久磁石側の凹部の斜面を押圧し、その分力によって永久磁石を外周側の保持環に押圧することができるので、永久磁石の保持が安定し、高速回転時における低周波振動や不安定振動を抑制することができる。

以上説明したように本発明によれば、長期にわたって安定した回転を行うことのできる永久磁石式回転電機を得ることができる。

以下本発明による永久磁石式回転電機の第１の実施の形態を図１及び図２に基づいて説明する。

本実施の形態においては、永久磁石式回転電機として、永久磁石式電動機１について説明する。永久磁石式電動機１は、大きく分けると回転子２とその外周に配置された固定子３とより構成されている。

回転子２は、継鉄４Ｙを一体に形成した回転軸４と、継鉄４Ｙの外周に密接され周方向に複数分割されている永久磁石５と、これら永久磁石５の外周を保持する例えばカーボン繊維で強化された繊維強化樹脂製の保持環６とで構成されている。

前記固定子３は、前記保持環６と微少間隙をもって対向する内周面を有する固定子鉄心７と、この固定子鉄心７の内周面側に接近した位置に軸方向に貫通し周方向に複数設けられたスロット８と、このスロット８に巻装されたＵ，Ｖ，Ｗ相からなる電機子巻線９とで構成されている。

前記固定子３は、固定子枠１０で固定子鉄心７の外周側を支持されており、固定子枠１０の軸方向両端部はエンドブラケット１１Ａ，１１Ｂで支持されている。そして、エンドブラケット１１Ａ，１１Ｂの内径側を軸受１２Ａ，１２Ｂを介して前記回転軸４上に支持させることで永久磁石式電動機１が構成される。

ところで本実施の形態においては、前記継鉄４Ｙの外周面は正六角形に形成され、永久磁石５も周方向に６等分に分割されている。そして、継鉄４Ｙの凸部１３Ａ〜１３Ｆを形成する六角の角型頂点が各永久磁石５の周方向の中間部に位置するように、凸部１３Ａ〜１３Ｆに対して周方向に係合する凹部１４Ａ〜１４Ｆを各永久磁石５に形成している。このように周方向に係合する凹部１４Ａ〜１４Ｆと凸部１３Ａ〜１３Ｆを永久磁石５と継鉄４Ｙに形成することで、角型頂点の周方向両側に斜面Ｓ１，Ｓ２が形成される。

尚、隣接永久磁石５間は、組立て時に継鉄５への装着を容易にするために、接着剤１５によって接着されている。

また、前記電機子巻線９に例えばインバータ１６から３相交流電源を供給することで、永久磁石式電動機１は、回転駆動される。

上記構成において、接着剤１５や保持環６の樹脂の劣化により、永久磁石５の周囲に隙間が生じる。しかし、永久磁石式電動機１の運転時に回転軸4が図１の矢印方向に回転すると仮定すると、継鉄４Ｙの凸部１３Ａ〜１３Ｆの角型頂点を境として回転方向先端側となる斜面Ｓ１が、対向する各永久磁石５の凹部１４Ａ〜１４Ｆの斜面Ｓ２を押圧する。この斜面Ｓ２へ作用する押圧力の分力は永久磁石５を保持環６側に押付ける押圧力となる。その結果、回転時における永久磁石５は、樹脂等の劣化収縮が発生しても、ガタつきなく安定して保持されるので、永久磁石５の不安定な支持に起因する低周波振動や不安定振動の発生を抑制することができる。したがって、本実施の形態において、継鉄４Ｙと永久磁石５間に設けた斜面Ｓ１，Ｓ２が、回転時に永久磁石５を保持環６側に押圧する手段となる。

ところで、本実施の形態において、継鉄４Ｙの凸部１３Ａ〜１３Ｆを形成する六角の角型頂点が各永久磁石５の周方向の中間部に位置するように、各永久磁石５に凹部１４Ａ〜１４Ｆを形成した。しかしながら、これら構成は永久磁石式電動機１が可逆回転型の場合に、正逆回転時によって永久磁石５の保持環６への押付け力が変わらないようにすることと、回転子２として磁気特性を均一にするために各永久磁石５の周方向の左右を対象にするためのものであり、特に限定されるものではない。

次に、図３に基づいて本発明による永久磁石式回転電機の第２の実施の形態を説明する。

図３に示す第２の実施の形態が第１の実施の形態と異なる点は、継鉄４Ｙの外周面に形成した凸部の形状である。そのために、図１，図２と同一部品を同一符号で表示して、再度の詳細な説明は省略した。

具体的に説明すると、第１の実施の形態は継鉄４Ｙの外周面の六面を機械加工して正六角形に形成したものであるが、第２に実施の形態においては破線で示すような断面円形の継鉄４Ｙの外周面を、１２０度間隔で平面加工して平面と曲面とからなる変則六角形を形成したのである。そして、平面と曲面とが交わる部分が継鉄４Ｙの凸部１３Ａ〜１３Ｆとなり、これと対向する各永久磁石５の内径側には平面と曲面とからなる凹部１４Ａ〜１４Ｆを形成する。そして、回転時に継鉄４Ｙの回転方向先端側となる傾斜平面及び傾斜曲面が、対向する永久磁石の傾斜平面及び傾斜曲面を押圧し、その分力で永久磁石５を保持環６側に押付けて永久磁石５のガタつきをなくしている。

以上のように構成したので、本実施の形態においては第１の実施の形態とほぼ同じ効果を奏することができると共に、第１の実施の形態に比べて継鉄４Ｙの機械加工部を少なくすることができる。

図４及び図５は、本発明による永久磁石式回転電機の第３の実施の形態を示すもので、特に、前記実施の形態と異なる点は、永久磁石５の形状である。したがって、図１〜図３と同一部品を同一符号で表示したので、再度の詳細な説明は省略する。

前記実施の形態においては、周方向に分割された永久磁石５が、回転子２又は回転軸４の長手方向（云い代えれば軸方向）に一体であるか否かは特定していない。しかし、本実施の形態においては、周方向に複数分割され接着剤１５で環状に形成された永久磁石５を、軸方向に分割して（輪切りにして）複数の軸方向分割永久磁石群１７を形成したのである。

このような軸方向分割永久磁石群１７は、周方向には接着剤１５によって各永久磁石５間は電気的に絶縁され、軸方向には隣接する軸方向分割永久磁石群１７との接触面１８が電気抵抗となるので、永久磁石５表面の渦電流Ｉの流路を細分することができる。その結果、上記各実施の形態と同じように、永久磁石５の不安定な支持に起因する低周波振動や不安定振動の発生を抑制することができる外、インバータによって発生する高調波電流による脈動磁束ψやスロットリップルによって発生する脈動磁束ψによって永久磁石５に生じる渦電流損失を低減することができる。

図６及び図７は、本発明による永久磁石式回転電機の第４の実施の形態を示し、特に、第３の実施の形態を変形したもので、第３の実施の形態と異なる点は、継鉄４Ｙの形状である。したがって、図１〜図５と同一部品を同一符号で表示したので、再度の詳細な説明は省略する。

前記第３の実施の形態においては、継鉄４Ｙが軸方向に同一の六角形断面を有するものであるが、本実施の形態においては、六角形断面を有する継鉄４Ｙの凸部１３Ａ〜１３Ｆを軸方向の一定間隔毎に、例えば六角形断面の場合には３０度毎に周方向にずらして形成したのである。これら継鉄４Ｙに装着される永久磁石５は第３の実施の形態と同じ形状であるので、隣接する軸方向分割永久磁石群１７も３０度周方向ずれて配置されることになる。

上記構成とすることで第３の実施の形態と同じ効果を奏する外、脈動磁束ψによって永久磁石５に生じる渦電流の流路を分散することができ、その結果、永久磁石６の局部加熱やそれによる熱減磁を低減することができる。

因みに、第３の実施の形態（図４，図５）と本実施の形態（図６，図７）とによる渦電流損失の時間経過及び軸方向の磁石温度分布について、同仕様の永久磁石式電動機によって比較試験した結果を図８及び図９に示す。

試験結果によれば、図８に示すように、渦電流損失の総量は両者変わらないものの、本実施の形態は渦電流の経路が図７に示すように分散されるために、図９に示すように磁石温度のピーク値を低減して平均化させることができるので、永久磁石６の局部加熱やそれによる熱減磁を低減することができる。

図１０〜図１２は、本発明による永久磁石式回転電機の第５の実施の形態を示し、図１及び図４〜７に示す第１，３，４の実施の形態を組合せた構成としたもので、したがって、図１及び図４〜７と同一部品を同一符号で表示して再度の詳細な説明は省略する。

本実施の形態において、外観は各実施の形態と同じであるが、保持環６を撤去した図１２に示す外観は、図７に示す第４の実施の形態と同じであり、接着剤１５で周方向に接着されて環状に形成された永久磁石５が軸方向に分割されて複数の軸方向分割永久磁石群１７を形成し、隣接軸方向分割永久磁石群１７間で各永久磁石５が３０度周方向にずらして配置されている。さらに、図１１に示すように、継鉄４Ｙは、図１に示す第１の実施の形態と同じように、軸方向に同一の六角形断面を有するものである。そして、隣接する隣接軸方向分割永久磁石群１７の一方は、図１１に示すように、継鉄４Ｙの凸部１３Ａ〜１３Ｆを形成する六角の角型頂点が各永久磁石５の周方向の中間部に位置し、隣接する隣接軸方向分割永久磁石群１７の他方は、図１１に示すように、継鉄４Ｙの凸部１３Ａ〜１３Ｆを形成する六角の角型頂点が隣接永久磁石５間の接着剤１５の位置に位置し、角型頂点間を結ぶ平坦面で継鉄４Ｙと永久磁石５とが接触するように構成されている。尚、継鉄４Ｙの外周が直線でなく曲線で凸部１３Ａ〜１３Ｆが形成されているときは、凸部頂点間を結ぶ面は軸方向には直線で周方向にはなだらかな曲面となる面が形成され、この面で継鉄４Ｙと永久磁石５とが接触するように構成されることは云うまでもない。

上記構成とすることで本実施の形態は、永久磁石５の安定した保持に関しては前記各実施の形態より劣るが、第４の実施の形態と同様な永久磁石の局部加熱やそれによる減磁を低減できる効果を奏することができるほか、回転位置におけるパーミアンス係数の変動を小さくできることから、永久磁石５を着磁する際、着磁むらを小さくできる効果がある。

ところで上記各実施の形態においては、永久磁石５の周方向中間に継鉄４Ｙの凸部１３Ａ〜１３Ｆが一つ周方向に係合するように構成したものであるが、一つの永久磁石５に対して継鉄４Ｙ側の凸部を複数個係合させてもよく、さらに、継鉄４Ｙ側に斜面を有する凹部や凹凸部を形成して磁石５側の斜面を有する凸部や凹凸部を周方向に係合させるようにしてもよい。

また、上記各実施の形態においては、継鉄４Ｙを回転軸４と同材質で一体に形成したものであるが、別部材の継鉄を回転軸４上に取付けるようにしてもよい。さらに、永久磁石式回転電機として永久磁石式電動機を一例として説明したが、永久磁石式発電機にも適用できることは云うまでもない。

本発明による永久磁石式回転電機の第１の実施の形態である永久磁石式電動機を示す概略縦断面図。 図１の永久磁石式電動機の概略縦断側面図。 本発明による永久磁石式回転電機の第２の実施の形態である永久磁石式電動機を示す図１相当図。 本発明による永久磁石式回転電機の第３の実施の形態である永久磁石式電動機の回転子を示す縦断斜視図。 図４の回転子の永久磁石の配列を示す斜視図。 本発明による永久磁石式回転電機の第４の実施の形態である永久磁石式電動機の回転子の継鉄を示す縦断斜視図。 図６に示す継鉄への永久磁石の装着状態を示す斜視図。 第３及び第４の実施の形態による渦電流損失の時間変化図。 第３及び第４の実施の形態による永久磁石の軸方向温度分布図。 本発明による永久磁石式回転電機の第５の実施の形態である永久磁石式電動機の回転子の継鉄を示す縦断斜視図。 図１０に示す継鉄への隣接する永久磁石の装着状態を示す概略斜視図。 図１０に示す継鉄への永久磁石の装着状態を示す斜視図。

符号の説明

１…永久磁石式電動機、２…回転子、３…固定子、４…回転軸、４Ｙ…継鉄、５…永久磁石、６…保持環、７…固定子鉄心、９…固定子巻線、１３Ａ〜１３Ｆ…凸部、１４Ａ〜１４Ｆ…凹部、１５…接着剤、１６…インバータ、１７…軸方向分割永久磁石群、１８…接触面、Ｓ１，Ｓ２…斜面。

Claims (7)

1. 回転軸上に形成された継鉄と、この継鉄の外周面に密接配置され周方向に複数分割された永久磁石と、これら永久磁石を継鉄外周面上に保持する繊維強化樹脂製の保持環とを備えた回転子を有する永久磁石式回転電機において、前記継鉄の外周面に斜面を有する複数の凸部を周方向に沿って形成すると共に、これら凸部の斜面と周方向に係合する斜面を有する凹部を各永久磁石に形成したことを特徴とする永久磁石式回転電機。
2. 前記継鉄の凸部は、一つの永久磁石に対して一つ対向するように形成されていることを特徴とする請求項１記載の永久磁石式回転電機。
3. 前記継鉄の凸部は、一つの永久磁石に対して複数対向するように形成されていることを特徴とする請求項１記載の永久磁石式回転電機。
4. 前記継鉄の凸部は、先端が角型に形成されていることを特徴とする請求項１，２又は３記載の永久磁石式回転電機。
5. 前記周方向に複数分割された永久磁石の夫々は、周方向に接着剤を介して接続されており、かつ軸方向に分割されて複数の軸方向分割永久磁石群を形成していることを特徴とする請求項１，２，３又は４記載の永久磁石式回転電機。
6. 前記周方向に複数分割された永久磁石の夫々は、軸方向に分割して複数の軸方向分割永久磁石群を形成しており、かつ隣接する軸方向分割永久磁石群における永久磁石の周方向の分割面を周方向にずらして配置したことを特徴とする請求項１，２，３又は４記載の永久磁石式回転電機。
7. 回転軸上に形成された継鉄と、この継鉄の外周面に密接配置され周方向に複数分割された永久磁石と、これら永久磁石を継鉄外周面上に保持する保持環とを備えた回転子を有する永久磁石式回転電機において、前記周方向に複数分割された永久磁石の夫々は周方向に絶縁されていると共に、軸方向に分割されて複数の軸方向分割永久磁石群を形成しており、隣接する軸方向分割永久磁石群は永久磁石の周方向の分割面を周方向にずらして配置されており、かつ隣接する軸方向分割永久磁石群の一方側に対向する継鉄の外周面は斜面を有する複数の凸部を周方向に沿って形成しており、これら継鉄の凸部の斜面と周方向に係合する斜面を有する凹部を周方向に分割された永久磁石に形成し、隣接する軸方向分割永久磁石群の他方側に対向する継鉄の外周面は前記永久磁石の分割面に対向する位置に凸部が形成されていることを特徴とする永久磁石式回転電機。

Images